基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統及其使用方法

本發明設計設計農田水利，尤其涉及基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統及其使用方法。

背景技術：

1、作為農業大國，我國的農業灌溉總用水量占可使用淡水資源的70％以上。隨著全球對可持續能源和農業效率的關注日益增加，光伏智能灌溉系統作為一種環保且高效的技術解決方案，正在得到廣泛的研究和應用。然而傳統的光伏灌溉系統通常需要高昂的初始投資，這對于許多農民或小型農場來說是一個重大的經濟負擔。

技術實現思路

1、本發明的目的在于設計一種基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統，降低農戶的經濟負擔，減少水資源浪費，使灌溉更加智能、清潔。

2、本發明提供一種基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統，包括供水單元、供肥單元、供電模塊、監測模塊、控制模塊、2個以上灌溉模塊；每個灌溉模塊包括電磁閥、滴灌頭；所述供電模塊包括電表、太陽能板和蓄電池；所述供水單元包括進水部和蓄水池；供肥單元包括肥料桶和水肥混合桶；

3、供電模塊通過電表，分別與供水單元、供肥單元、監測模塊、控制模塊、灌溉模塊相連接以提供電能；蓄水池與肥料桶通過水肥混合桶相連接，用于產生預審濃度的水肥混合液；

4、所述監測模塊與控制模塊通信連接，為控制模塊提供監測信號；所述監測模塊包括蓄水池液位傳感器、灌溉分管路流量計、無人機單元；

5、所述無人機單元配備多光譜相機和gps；基于所述多光譜相機采集的圖像數據得到田地面積、土壤含水量；使用所述gps進行無人機導航；

6、所述控制模塊分別與供水單元、供肥單元、灌溉模塊通信連接，提供控制信號；所述控制模塊分別控制供水單元的進水部為蓄水池充水，水肥混合液的濃度，灌溉模塊中電磁閥的通斷；

7、水肥混合桶通過若干分水管與各灌溉模塊連接，所述每個所述分水管上設置所述灌溉分管路流量計，所述灌溉分管路流量計與灌溉模塊一一對應，所述分水管通過電磁閥連接滴灌頭；

8、所述控制模塊分別與供水單元、供肥單元、灌溉模塊連接提供控制信號；

9、每個灌溉模塊對應一塊田地，所述水肥混合桶位于各田地的中央。

10、所述監測模塊中的蓄水池液位傳感器可以能夠獲取蓄水池內地液位，便于蓄水池水量的控制；無人機單元中無人機配備多光譜相機，能夠高效地采集大范圍的土壤圖像數據，快速提供土壤含水量信息，相較于現有技術的濕度計測量，無人機能夠獲取更大范圍的信息，更加準確；

11、采用太陽能板和蓄電池作為供電模塊，實現系統的自給自足，解決了傳統電力供應不穩定、成本高的問題，降低了系統運行成本，進而降低農戶的灌溉成本；

12、所述供水單元、供肥單元和蓄水池通過水肥混合桶連接，產生預設濃度的水肥混合液，為農作物提供均衡的水分和養分供給，提高了農作物的生長效率和產量；

13、所述的灌溉模塊每個對應一塊田地，實現分塊管理，可以根據不同田地的需求進行個性化的灌溉和養分供給，提高了農作物的適應性和品質；所述水肥混合桶位于各田地的中央，各田地對應的灌溉分管路長度相近，便于無人機導航巡視的往返及獲取圖像數據；

14、所述灌溉分管路流量計和電磁閥的精確控制，可以實現精準灌溉，避免了水資源的浪費，達到了節約用水的目的；

15、優選的，所述進水部包括潛水泵與儲雨單元，所述儲雨單元包括卷膜電機、遮陽膜、遮陽棚；

16、所述監測模塊還包括雨量傳感器；

17、所述儲雨單元位于蓄水池的上方，所述遮陽棚為剛性框架結構，設置于蓄水池的上方，所述遮陽棚上設置所述卷膜電機，所述遮陽棚上可移動的設置有遮陽膜；

18、所述的儲雨單元能夠有效地收集和利用雨水資源，提高水資源的利用效率；

19、所述的雨量傳感器能夠實時監測降雨量，并根據降雨調整遮陽膜的開閉，從而實現對雨水收集的有效控制；

20、所述的遮陽棚和遮陽膜能夠避免雨水直接暴露在太陽下，從而減少蓄水池水量蒸發。

21、優選的，所述控制模塊還包括電磁閥節能模塊。

22、電磁閥節能模塊保證正常灌溉的同時，盡可能地減少用電量，實現節能；所述的電磁閥在灌溉過程中不再持續以額定電壓工作，而是工作在更為節能的電壓狀態下，減少了電磁線圈的發熱，從而延長了電磁閥的使用壽命。

23、優選的，所述的控制模塊包括中央控制單元、無線控制單元；所述中央控制單元處理來自監測模塊的信號；無線控制單元由無線控制柜組成，無線控制柜內包含zigbee通信模塊和gprs通信模塊，無線控制柜分布在各塊農田，通過zigbee通信模塊形成現場局域網；通過gprs通信實現農田灌溉遠程監控。

24、通過實時控制和遠程監控，本系統能夠準確判斷農田的灌溉需求，實現精準灌溉，提高了灌溉效率，減少了水資源的浪費。

25、本發明還提供一種基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統的使用方法，利用無人機進行遙感及圖像識別，以獲取田地的塊數，每塊田地的農田面積和所種植的作物數據，將所述光伏智能灌溉系統安裝在各塊田地的中央，為每塊田地分配一個灌溉模塊；

26、使用所述太陽能板獲取太陽能轉化為電能供光伏智能灌溉系統使用，將沒有使用的電能儲存于蓄電池中，通過電表獲取供電模塊的總輸出電量；

27、基于作物數據，使用控制模塊控制供肥單元提供的肥料種類和濃度；

28、制定無人機導航路線，利用遙感技術及圖像識別技術識別并記錄每塊田地的初始土壤含水量，并以初始土壤含水量由低到高判定灌溉優先級順序，從初始土壤含水量最低的田地開始依次灌溉，在灌溉時間內無人機每隔五分鐘巡視一次正在灌溉的田地并識別土壤含水量，當土壤含水量滿足要求時停止灌溉；

29、在田地的灌溉時間內，根據下一塊田地記錄的初始土壤含水量，初步計算下一塊田地的預計灌溉水量，并使用控制單元控制供水單元對所述蓄水池進行供水，使用蓄水池液位傳感器和灌溉分管路流量計監測，當當前灌溉時間內蓄水池內的水量及已用灌溉水量之和不少于在灌田地的預計灌溉水量及下一塊田地的預計灌溉水量之和時，停止供水單元供水；在田塊開始灌溉時無人機巡視田地，并根據首次巡視獲取的實際土壤含水量調整預計灌溉水量，當實際土壤含水量少于初始土壤含水量時，供水單元繼續抽水，若實際土壤含水量大于初始土壤含水量時，則不需要再次抽水；以避免下雨土壤含水量變化導致過度灌溉；

30、在蓄水池水量滿足當前灌溉農田預計灌溉水量的同時控制模塊控制潛水泵繼續給蓄水池蓄水，以在下塊農田開始灌溉時，提前滿足該農田的預計灌溉水量。避免了灌溉期間蓄水池水量不夠的問題；同時避免了頻繁將蓄水池蓄滿水，在一定程度上節省用電，降低農戶用電成本。

31、使用灌溉分管路流量計監測記錄計費周期下每個灌溉模塊的供水量，作為每塊田地的水肥收費依據；

32、使用電表記錄計費周期下的總用電量，作為每塊田地的用電收費依據。

33、優選的，使用所述雨量傳感器探測雨量，當下雨時，使用卷膜電機卷起遮陽膜，使雨水通過遮陽棚進入蓄水池；

34、當蓄水池充滿或不下雨時，使用卷膜電機打開遮陽膜，減少蓄水池中的水分蒸發；

35、當雨水不足以提供灌溉用水時，使用所述潛水泵將地下水抽取至蓄水池。

36、通過雨量傳感器探測雨量并由卷膜電機控制遮陽膜的開閉，減少水分蒸發、利用雨水補充蓄水池的水量，節水節能。

37、優選的，使用所述電磁閥節能模塊，在灌溉時，控制所述電磁閥以額定電壓工作，并以一定速度降低電壓，直至所述灌溉分管路流量計檢測到管道流量小于0.05l/min時，逐漸增加電壓到正好保證電磁閥能打開，并保持此電壓繼續進行此次灌溉。

38、保證電壓能保持電磁閥開啟滿足灌溉工作時，減少了不必要的電能消耗，減少電磁閥發熱，延長使用壽命。

39、優選的，利用無人機遙感和圖像識別技術獲取田地面積和初始土壤含水量，預計灌溉水量的計算公式如下：

40、預計灌溉水量＝田地面積×灌溉深度×土壤容重×(理想土壤含水量-初始土壤含水量)

41、其中，灌溉深度為水需要滲透到土壤中的深度，這取決于作物根系深度和土壤特性，單位為米；土壤容重為單位體積土壤的干重，以千克/立方米為單位；理想土壤含水量表示作物所需最佳的土壤水分的重量百分率，不同作物的理想土壤含水量不同；初始土壤含水量表示灌溉前土壤水分的重量百分率；預計灌溉水量計算結果單位為千克，經過換算為立方米。

42、利用無人機遙感和圖像識別技術獲取不同田地面積數據，無人機可以在較短的時間內覆蓋大范圍的地區，并且能夠以較高的速度獲取大量的圖像數據。相比于傳統的人工測量方法，無人機的速度更快，可以在更短的時間內完成面積測量任務。

43、利用無人機遙感和圖像識別技術獲取土壤含水量數據，可以覆蓋大范圍的土地，迅速獲取大量數據，而現有技術的濕度計測量通常只能在一個固定的位置上進行監測，覆蓋范圍有限。

44、計算預計灌溉水量，根據作物和土壤水分狀況，精確確定灌溉水量，避免了過量或不足的灌溉，提高了水資源的利用效率。

45、優選的，獲取基于共享收費模式的光伏智能灌溉系統的每個用戶賬戶中，在使用系統前充值的金額，系統按照各用戶所使用電量及用水量扣除賬戶內的費用，直至充值的金額用完，停止對金額用完的賬戶對應的田地進行灌溉，并通過控制模塊提醒用戶充值。

46、灌溉費用通過公式獲得：

47、s＝q×s

48、d＝n×d/8

49、式中：s是灌溉用水費用；n是農戶灌溉的農田數；s是灌溉用水單價，由肥料費用和水費綜合定價。；q是農戶農田灌溉用水量；d是農戶總電費；d是電費單價。

50、農戶共享使用水、肥和太陽能，按照各自的用水量、用電量收取相應費用，解決了傳統農戶自行用水用電的資源不穩定的問題，提高了資源利用效率和穩定性。農戶共同使用本發明的設備和基礎設施的共享，農戶可以共同分擔維護和管理費用，從而降低各自的生產成本；

51、優選的，在相同計費周期下，當檢測到任一個灌溉模塊的供水量大于其它灌溉模塊平均值的5倍時，控制模塊發出設備檢修通知。避免電磁閥遭受破壞。

52、有益效果：

53、本發明采用共享收費模式，用戶共同使用灌溉設備、共享太陽能以及水肥，憑借按需收費，減少農戶前期投資、降低生產成本。